芯耀
2206
在當(dāng)前的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)趨勢(shì)中，MAC功能普遍被整合至CPU內(nèi)核，形成一種高度集成的網(wǎng)絡(luò)功能模塊。與此同時(shí)，PHY芯片作為獨(dú)立器件，專(zhuān)注于應(yīng)對(duì)物理層錯(cuò)綜復(fù)雜的電氣特性和信號(hào)轉(zhuǎn)換需求。為了確保PHY芯片能夠在所需的各種網(wǎng)絡(luò)模式和參數(shù)設(shè)定下精確運(yùn)作，業(yè)界廣泛采用了MDIO（Management Data Input/Output）管理總線(xiàn)進(jìn)行配置和調(diào)控。通過(guò)MDIO總線(xiàn)接口，開(kāi)發(fā)工程師能夠深入訪(fǎng)問(wèn)并靈活調(diào)整PHY芯片內(nèi)部的寄存器設(shè)置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的自適應(yīng)速率調(diào)整、全雙工與半雙工模式切換等多種關(guān)鍵功能。
針對(duì)ELF 1開(kāi)發(fā)板的具體架構(gòu)，其PHY芯片與內(nèi)置MAC控制器間的數(shù)據(jù)傳輸互動(dòng)是借助RMII（Reduced Media Independent Interface）高效接口技術(shù)來(lái)完成的。RMII標(biāo)準(zhǔn)因其精簡(jiǎn)的引腳數(shù)量和高效的傳輸速率，顯著減少了電路板布局的復(fù)雜度，節(jié)約了系統(tǒng)硬件資源，并提升了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸速度。得益于這一接口技術(shù)，ELF 1開(kāi)發(fā)板成功地實(shí)現(xiàn)了從物理層到數(shù)據(jù)鏈路層的平滑過(guò)渡和完美融合，從而有力支持了基于TCP/IP協(xié)議棧的各類(lèi)應(yīng)用程序在嵌入式環(huán)境中的穩(wěn)定高效運(yùn)行。
了解MDIO總線(xiàn)
MDC是開(kāi)漏（OD）輸出，只能輸出低電平，因此需要上拉處理，為MDIO提供時(shí)鐘信號(hào)；MDIO管理接口數(shù)據(jù)傳輸格式及含義如下表所示：
需要注意的是，TA在讀操作和寫(xiě)操作兩種狀態(tài)下數(shù)據(jù)位不同，TA是介于寄存器地址和寄存器數(shù)據(jù)之間的2個(gè)bit位，用來(lái)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸方向。讀操作時(shí)，地址傳輸和數(shù)據(jù)傳輸控制方不同，設(shè)置2bit?TA的目的就是為了防止MDIO總線(xiàn)上產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)。TA的第1位z，PHY和MAC均釋放總線(xiàn)控制輸出高阻，且后面MAC一直保持高阻態(tài)狀態(tài)，第2位0由PHY提供。第2位相當(dāng)于一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，如果第2位為高電平，PHY無(wú)應(yīng)答。除此之外，Idle為空閑狀態(tài)，此時(shí)MDIO無(wú)源驅(qū)動(dòng)，處高阻狀態(tài)，但一般用上拉電阻使其處在高電平。
關(guān)于網(wǎng)絡(luò)信號(hào)模式
常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)模式包含：MII、RMII、GMII、RGMII、SGMII。每種模式包含的信號(hào)線(xiàn)數(shù)量和控制線(xiàn)數(shù)量各不相同，通訊速度也不相同：MII、RMII為百兆網(wǎng)絡(luò)，GMII、RGMII、SGMII為千兆網(wǎng)絡(luò)，區(qū)別和關(guān)系參考表以下圖表。
ELF 1開(kāi)發(fā)板使用的RJ45內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器，其4、5腳位中心抽頭引腳，該引腳有兩種接法：電流型，中心抽頭直接接電源；電壓型，中心抽頭通過(guò)100nF電容接地（ELF 1開(kāi)發(fā)板的接法，引腳4、5接100nF電容C87和C88）。實(shí)際使用中需要如何處理中心抽頭需要根據(jù)PHY芯片的驅(qū)動(dòng)類(lèi)型確定。
PHY芯片電路原理說(shuō)明
ELF 1開(kāi)發(fā)板最多支持兩路百兆網(wǎng)口，底板和擴(kuò)展板上各一路。開(kāi)發(fā)板使用兩個(gè)KSZ8081RNB型號(hào)的PHY芯片實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，KSZ8081RNB是通過(guò)MDIO總線(xiàn)掛載到EL開(kāi)發(fā)板上，MDIO總線(xiàn)對(duì)應(yīng)芯片的11、12引腳主要負(fù)責(zé)通過(guò)配置PHY芯片KSZ8081RNB的寄存器控制PHY芯片的網(wǎng)口速率、網(wǎng)口雙工模式、自協(xié)商使能等功能。KSZ8081RNB的數(shù)據(jù)接口是通過(guò)RMII和開(kāi)發(fā)板連接，并傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的。
ENET_PHYAD0、ENET_PHYAD1和ENET_RXD1在芯片上電復(fù)位時(shí)會(huì)鎖存一個(gè)電平狀態(tài)作為芯片的PHY地址，在芯片上電后，其數(shù)據(jù)被鎖存到相應(yīng)寄存器中，而后恢復(fù)芯片的默認(rèn)功能，不會(huì)影響通信。由于該款芯片有三條地址線(xiàn)，因此理論上同一塊板卡最多可以?huà)燧d7顆（001—111。000作為廣播地址，是不可以被使用的）。
ENET_CRS_DV、ENET_CFG1、ENET_CFG0是芯片接口模式選擇， ELF 1開(kāi)發(fā)板設(shè)置為100。
底板網(wǎng)口原理圖
擴(kuò)展板網(wǎng)口原理圖
網(wǎng)口電路設(shè)計(jì)指南
（1）ELF 1開(kāi)發(fā)板可支持兩路百兆網(wǎng)。
（3）MDIO以及RMII接口的引腳要注意電平匹配，核心板為3.3V電平。
（4）MDIO總線(xiàn)上需要加上拉電阻，阻值可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。
網(wǎng)口PCB設(shè)計(jì)指南
（1）MDIO總線(xiàn)上掛載多個(gè)PHY芯片時(shí)，使用串聯(lián)方式，不要分叉布線(xiàn)。
（2）RGMII接口分為發(fā)送信號(hào)，接收信號(hào)和控制信號(hào)，各組阻抗控制在50Ω±10%。
（3）發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)，布線(xiàn)長(zhǎng)度不超過(guò)100mm，組內(nèi)信號(hào)長(zhǎng)度誤差不超過(guò)2.54mm。
（4）時(shí)鐘預(yù)留對(duì)地電容，方便后期調(diào)試。
（5）MDI接口采用差分布線(xiàn)，阻抗100Ω±10%。
（6）MDI組內(nèi)差分誤差不超過(guò)0.12mm。
（7）芯片內(nèi)部DCDC連接的功率電感要靠近芯片保證回路最短，并且保證地回路的完整。
（8）數(shù)據(jù)線(xiàn)上預(yù)留的串聯(lián)電阻需要靠近源端放置。
（9）保護(hù)器件建議放置在變壓器內(nèi)側(cè)，在變壓器和PHY之間，靠近變壓器。
（10）供電部分要考慮電流的大小，線(xiàn)寬盡量寬一點(diǎn)。要有足夠的載流能力，濾波電容的位置盡量靠近芯片。
（11）網(wǎng)口 RJ45 在布線(xiàn)時(shí)要注意進(jìn)行隔離地。
網(wǎng)口問(wèn)題排查思路
在遇到網(wǎng)口問(wèn)題時(shí)排查網(wǎng)口問(wèn)題首先要明確問(wèn)題點(diǎn)，網(wǎng)口不通的情況下首先要看 PHY 有沒(méi)有成功掛載上，可通過(guò)是否可以啟動(dòng)網(wǎng)卡來(lái)判斷，如果根本看不到設(shè)備節(jié)點(diǎn)或者在輸入啟動(dòng)網(wǎng)卡的命令后報(bào)錯(cuò)，找不到 PHY 芯片說(shuō)明 PHY 芯片沒(méi)有成功掛載。如果可以正常啟動(dòng)網(wǎng)卡說(shuō)明 PHY 可以成功掛載。
如果 PHY 沒(méi)掛載上排查思路如下：
（1）首先看是否有缺件、少件，原件焊接錯(cuò)誤的情況，PHY 芯片焊接是否過(guò)關(guān)等。
（2）檢查各路供電是否正常，電源是否穩(wěn)定，是否有明顯壓降、跌坑現(xiàn)象。濾波電容容量是否達(dá)標(biāo)。
（3）檢查復(fù)位電路是否有復(fù)位動(dòng)作，復(fù)位后是否可以正常抬起復(fù)位信號(hào)，復(fù)位信號(hào)低電平的維持時(shí)間是否滿(mǎn)足 PHY 的要求。
（4）檢查芯片的時(shí)鐘頻率、幅值、以及信號(hào)質(zhì)量是否滿(mǎn)足手冊(cè)要求。不同類(lèi)型的時(shí)鐘輸入方式原理是否正確。
（5）檢查 PHY 芯片的地址、模式、電平配置等參數(shù)設(shè)置的上下拉電阻是否正常。
（6）檢查 MDIO 總線(xiàn)的波形幅值、斜率、是否正常，振鈴是否嚴(yán)重，是否有下降沿壓降不到 0 的現(xiàn)象，在 MDC 的上升沿來(lái)臨時(shí) MDIO 的電平維持時(shí)間是否滿(mǎn)足硬件資料里網(wǎng)口芯片手冊(cè)要求等問(wèn)題。
先將芯片成功掛載后再看網(wǎng)口通不通。如果經(jīng)過(guò)以上檢測(cè)排查成功將 PHY 芯片掛載但是網(wǎng)口還是不通,那就需要繼續(xù)檢查數(shù)據(jù)接口部分。根據(jù)不同接口的規(guī)定來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)接口的總線(xiàn)進(jìn)行檢查。
（1）按照具體的接口形式檢查數(shù)據(jù)線(xiàn)連接是否正確，在使用MII,RMII,GMII,RGMII時(shí)的線(xiàn)序，檢查參考時(shí)鐘波形是否正常。
（2）檢查網(wǎng)絡(luò)變壓器的中心抽頭的接法是否與PHY 規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)變壓器的驅(qū)動(dòng)類(lèi)型相對(duì)應(yīng)。
以上就是對(duì)ELF 1開(kāi)發(fā)板網(wǎng)口組件中的幾個(gè)核心概念做了講解。然而，“實(shí)踐出真知”，我們誠(chéng)摯建議各位小伙伴在理論學(xué)習(xí)之余，更要親自進(jìn)行實(shí)踐操作，如測(cè)試、故障排查等，以便深入理解和掌握網(wǎng)口模塊的內(nèi)在機(jī)制。唯有親手實(shí)踐，才能使知識(shí)領(lǐng)悟更為深刻全面。倘若在嵌入式學(xué)習(xí)探索過(guò)程中遇到任何疑問(wèn)或難題，歡迎各位小伙伴與ElfBoard的技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)進(jìn)溝通交流。我們堅(jiān)信，通過(guò)共同探討與分享，定能助力您的嵌入式學(xué)習(xí)之路更上一層樓，一同見(jiàn)證彼此的進(jìn)步與發(fā)展。
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